JP2001523429A - Signal conditioning circuit with ADC / DAC combined sensor system and method - Google Patents

Signal conditioning circuit with ADC / DAC combined sensor system and method

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Abstract

(57)【要約】 電子的に較正されるセンサ100は、信号調整回路104に結合される出力を有する検知素子102を備える。信号調整回路104は、検知素子出力上の温度および部分間変動を補償するように演算効率が高く動作可能であり、利用可能なセンサ出力信号を提供する。信号調整回路104は、アナログ−デジタル/デジタル−アナログ(ADC/DAC)変換装置112を備える。ADC/DAC112は、アナログ入力信号のアナログ−デジタル変換とデジタル出力信号のデジタル−アナログ変換の両方を実行することができる。ADC/DAC112は、さらに、アナログ信号を入力信号調整回路104,106に提供する。 (57) Abstract An electronically calibrated sensor 100 includes a sensing element 102 having an output coupled to a signal conditioning circuit 104. The signal conditioning circuit 104 is operable with high computational efficiency to compensate for temperature and inter-partial variations on the sensing element output and provides a usable sensor output signal. The signal adjustment circuit 104 includes an analog-digital / digital-analog (ADC / DAC) converter 112. The ADC / DAC 112 can perform both analog-to-digital conversion of an analog input signal and digital-to-analog conversion of a digital output signal. The ADC / DAC 112 further provides an analog signal to the input signal adjustment circuits 104 and 106.

Description

【発明の詳細な説明】 ADC/DAC複合センサ・システムを備える信号調整回路およびその方法 発明の分野 本発明は、一般にセンサとセンサ信号を調整する回路構成とに関し、さらに詳 しくは、アナログ−デジタル変換器/デジタル−アナログ変換器(ADC/DAC)複 合装置を有するセンサのための信号調整回路に関する。 発明の背景 物理的現象を検出し、その現象に応答して信号を提供するセンサ装置で世界は 満ちあふれている。たとえば、温度計は、物理的な条件温度を視覚的信号すなわ ち水銀柱の高さに変換する。温度検知装置の別の例には、物理的な条件温度を電 気信号に変換する熱電対がある。センサ信号を役立てるには、特定の物理現象に 対応して理解できるようにしなければならない。たとえば、温度計はガラス柱上 に線を付けて、温度の度合いを標示する。もちろん、この線が意味を持つために はガラス柱の正しい位置にあることが必要であり、線を正しく配置するプロセス を較正 (calibration)と呼ぶ。較正中は、センサが周知の物理的条件または条件群に 置かれ、その反応を観察する。周知の条件に対するセンサの反応を観察すること により、広範囲の条件に関するセンサの反応を予測することができる。 圧力センサは、圧力、たとえばタイヤ内の空気圧を表す信号を提供する装置で ある。他種のセンサと同様に、圧力センサを役立てるには較正が必要である。耐 圧センサとして知られるある種の圧力センサは、圧力を表す電圧信号を生成する 。耐圧センサは用途においていくつかの問題点を持つ。たとえば、耐圧検知素子 は、比較的低レベルの電圧信号を生成する。また、耐圧検知素子は温度変化に敏 感で、圧力変化に対しては線形に変化しない信号を生成することがある。さらに 、検知素子間の信号電圧特性が一貫しない。故に、広範囲の動作温度および圧力 において充分に正確な高レベルのセンサ出力を提供するセンサ製品のための特殊 な信号調整回路が必要である。この装置は低コストでしかも部分間の再現性が高 い大量生産をできることが重要である。 低コストの信号調整法の多くは、較正プロセス中に調整されるアナログ回路を 採用する。たとえば、抵抗網に結合される増幅器回路を用いることが知られてい る。このような用途の1つでは、抵抗網には可融性リンクにより結合される複数 の抵抗素子が含まれる。可能な調整度には制限があるが、増幅器網から適切な出 力を提供するための種々の 抵抗値が設定される。別の用途では、抵抗網はレーザ・トリマブル抵抗素子を備 える。較正プロセス中に、抵抗素子はレーザを用いてトリミングされ、増幅器網 から適切な出力を提供するための正しい抵抗値を達成する。いずれの用途におい ても、リンクを溶融させ、さらに/あるいは構成部品をレーザ・トリミングする ためには、処理中に回路に接近することが必要である。このため、製造処理のオ プションが限られる。また、ある種の用途においては、感度と線形性を別々に補 償することが困難になる。さらに、較正に続く処理作業により、最終製品におい て修正できない誤差を招くこともある。また、レーザ・トリミング・プロセスは 高価な処理ハードウェアを必要とし、サイクル時間が長くなる。 代替の設計により検知素子の電子的較正が可能になる。電子較正用のセンサは 、適切な信号調整回路構成を介してセンサ素子に結合され、較正方法が保持され るメモリに結合されるマイクロプロセッサを備える。処理中は、検知素子は様々 な既知の動作条件下で試される。較正値が設定されメモリに格納される。動作中 は、マイクロプロセッサが方法および較正値と共に動作してセンサ出力を提供す る。他の実行例では、デジタル信号プロセッサ(DSP:digital signal processo r)を用いてセンサ素子出力のデジタル値に関して必要な計算を実行する。 デジタル技術を用いて実現されるシステムは、一般的に、 1)フロントエンド・アナログ信号調整,2)アナログ−デジタル変換,3)デ ジタル処理,4)デジタル−アナログ変換および5)バックエンド・アナログ信 号出力ドライブによって構成される。フロントエンド調整は、デジタルにプログ ラミング可能な利得およびオフセット関数によって構成されることが多く、この 場合、オフセット信号はある形態のデジタル−アナログ変換器(DAC)によって 発生されるのが普通である。信号調整回路がある種の形態の外乱変数補償も含む 場合は、外乱変数信号もフロントエンド調整されデジタル化される。 センサ信号調整回路が少なくとも2つのアナログ−デジタル変換器(ADC)を 必要とすることがある。1つは検知素子出力をデジタル化するためのものであり 、1つは外乱変数信号をデジタル化するためのものである。検知素子出力および 外乱変数のフロントエンド信号調整を行うには、DAC装置は適切な制御信号を調 整回路に与える必要がある。また、デジタル化され修正されたセンサ出力をアナ ログに再変換することが必要である。このため、信号調整回路は2つのADCと3 つものDACとを必要とすることがある。これらの装置は、集積回路において実現 するには、ダイ面積が集約的であるが、これは、特にADCとDACの制度が装置を構 築する整合部品(キャパシタ,抵抗,トランジスタなど)の物理的寸法に直接的 に関わるためである。いくつかのアナログ−デジタルおよびデジタル−アナログ 演算を実 行するために必要とされる大量のダイ面積のために、センサ信号調整用途におい てデジタル技術を採用することが妨げられてきた。 ADCの典型的な連続近似実行例には少なくとも1つのDACが含まれる。アナログ −デジタル変換およびデジタル−アナログ変換(それぞれA/DおよびD/A)が必要 とされる場合、ADC装置内にDACを再利用することが可能であることが知られる。 このアーキテクチャの例では、A/DおよびD/Aにアナログ信号調整または回路較正 を含む回路を実現させることができない。さらに、いくつかのD/A出力およびい くつかのA/D出力を備えるセンサ信号調整回路において必要とされるような多数 のA/DおよびD/A変換動作を必要とする回路を実行できない。 従って、デジタル信号処理を用いて、ADCおよびDAC装置を有効に利用して信号 調整回路内の装置数を最小限に抑える電子的に較正される検知装置が依然として 必要である。検知装置は、好ましくは、センサのデジタル較正を行う信号処理回 路とそのアナログ入力調整回路とを具備する。基本的には、ハードウェアがより 有効に用いられる正確な手法が必要とされる。 図面の簡単な説明 第1図は、本発明の好適な実施例による信号調整回路を 備えるセンサ・システムを示すブロック図である。 第2図は、本発明の好適な実施例によるADC/DAC装置のブロック図である。 第3図は、第2図の回路の動作を示すタイミング図である。 第4図は、本発明の別の好適な実施例によるADC/DAC装置のブロック図である 。 第5図は、本発明の別の実施例によるADC/DAC装置のブロック図である。 第6図は、本発明の好適な実施例によるADC/DAC装置の回路図である。 第7図は、本発明のADC/DAC装置の動作をさらに示すタイミング図である。 第8図は、好適な方法によりセンサを較正するために用いられる試験システム の概略図である。 第9図は、センサを較正する好適な方法を示す流れ図である。 好適な実施例の詳細説明 電子的に較正されるセンサにおいては、検知素子が、較正回路に結合される検 知素子出力信号を提供する。較正回路は、計算効率が高く、使用可能なセンサ出 力信号を提供するための検知素子出力の温度変動補償,部分間変動補償, 線形化およびスケーリングを行うことができる。較正方法には、実質的な構成部 品の再使用を行う効率の良いADC/DAC装置を備える。較正回路およびADC/DAC装置 が、あらゆる種類のセンサに適応することは言うまでもない。 第1図を参照して、センサ100は、信号調整回路104に結合され、そこに 圧力センサ信号101を提供する検知素子102を具備する。信号調整回路10 4は、好ましくは、単チップ集積回路として構築され、圧力信号予備調整回路構 成106,温度信号予備調整回路108,マルチプレクサ110,アナログ−デ ジタル/デジタル−アナログ変換器(ADC/DAC)112,電子的消去可能書込可 能読取専用メモリ(EEPROM:electronically erasable programmable read only memory)114,制御メモリ・レジスタ116,多項式計算器118,入力/出 力(I/O)コントローラ120,出力フィルタ122および出力ドライバ124 を備える。回路104は、当技術で周知の上記回路素子に適切に結合される出力 を有するクロック発生器128に結合される発振器126をさらに備える。さら に、当業者には理解頂けようが、音響設計に応じて、回路104は過電圧保護, 動作電圧発生器,電源オン・リセット機能および試験論理(図示せず)をさらに 具備する。 検知素子102は、好ましくは、圧力標示信号を生成するために当技術で周知 の如く、半導体ダイの一部として形成される耐圧検知素子(piezoresistive sen sing element) である。好適な実行例においては、検知素子102は、個別素子として形成され 、信号調整回路104に結合(第1図に図示されるように)されることも、ある いは処理回路チップの部分として一体的に形成されることもある。検知素子10 2は、温度信号103をさらに提供する。代替の好適な実施例においては、温度 信号を提供するために別の温度検知装置が備えられる。検知素子102から出力 される信号101,103は、比較的低レベルの信号であり、一般に温度と共に 可変し、部分間で実質的に変動する。検知素子102の出力信号101,103 には、一定の非線形特性も含まれる。従って、検知素子102の出力信号は、信 号調整回路104により動作されて、使用可能な電圧範囲において温度補償され た実質的な線形信号を提供する。 さらに詳しくは、検知素子102の圧力および温度出力信号101,103は 、それぞれ圧力および温度予備調整回路構成106,108に結合されて、初期 濾波,増幅およびオフセットの検知素子102出力信号に対する印加を行う。予 備調整された圧力および温度信号は、次に、マルチプレクサ110を介して選択 的にADC/DAC112に結合される。ADC/DAC112は、予備調整済みの信号に関し て動作し、それぞれデジタル圧力信号およびデジタル温度信号を提供する。 ADC/DAC112から、デジタル圧力信号およびデジタル温度信号が、バス13 0を介してレジスタ116および多 項式計算器118に結合される。EEPROM114は、データ格納部分を備える。さ らに詳しくは、補償済み圧力センサ信号を提供する際に多項式計算器118が用 いる複数の較正データのための格納部を備える。多項式計算器118の出力信号 はバス130を介してADC/DAC112に結合され、そこでデジタル出力信号が再 びアナログ出力信号に変換される。アナログ出力信号は、フィルタ122を用い て濾波され、増幅されて、出力ドライバ124により出力される。I/O制御装置 120は、最小限の数のピン132を利用しながら外部からセンサ100に対し て、EEPROM114への書込などのアクセスおよび動作能力を提供する。 ADC/DAC112の好適な構造を説明し、第2図に示される検知素子信号調整回 路200の実施例を参照してその動作を詳細に説明する。信号調整回路200は 、ADC/DAC112に加えて、デジタルに補償されるアナログ入力回路またはアナ ログ信号調整回路202と、デジタル信号処理回路204と、アナログ出力ドラ イバ回路206と、出力バス231を有するメモリ装置208とを具備する。第 1図に示される要素と比較すると、回路素子202は予備調整素子106または 予備調整素子108に類似すると考えられる。同様に、回路素子206は出力フ ィルタ122および出力ドライバ124に類似し、回路204は多項式計算器1 18に類似し、回路素子208はメモリ114に類似するとみなすことができる 。 デジタルに補償されるアナログ入力または信号調整回路202は、本質的には 、アナログ信号入力端子217,補償信号サンプル/ホールド回路210,ドラ イバ回路214,加算回路218および出力端子219を備える増幅器である。 補償信号は、アナログ・オフセット信号の形で、定期的にADC/DAC112からサ ンプル/ホールド回路210に、アナログまたはパラメータ制御入力端子221 を介して通信される。オフセット信号が、加算回路218を介してドライバ回路 214の入力に加えられ、当技術では周知の如くオフセット修正されたアナログ 入力信号となる。アナログ・オフセット値は、センサ100の較正プロセス中に 決定される。メモリ208は、デジタル・オフセット値が較正プロセス中に書き 込まれるデータ構造を備える。出力バス231を介して提供されるデジタル・オ フセット値は、ADC/DAC112によりアナログ・オフセット値信号に変換される と、ドライバ回路214が用いるのに適したアナログ・オフセット値となる。後 に説明するように、ADC/DAC112は、定期的にデジタル・オフセット値を取り 出し、デジタル・オフセット値をアナログ・オフセット値信号に変換し、それを アナログ制御入力端子221を介してアナログ入力回路202に通信する。オフ セット以外の動作パラメータも、メモリ208のデータ構造に格納することがで き、変換して、アナログ入力回路202の動作を修正するために送ることができ る。その他のパラメータ には、利得,線形性,温度またはその他の補償パラメータがある。 アナログ入力回路202の出力すなわちアナログ信号は、出力端子219を介 してADC/DAC112に通信される。ADC/DAC112は、アナログ信号をデジタル入 力値またはデジタル連続近似データに変換する。デジタル入力値は、次に信号処 理回路すなわちDSP204に通信され、DSP204はデジタル入力値に関して演算 を行いそれに依存するデジタル出力値を提供する。デジタル出力値は、ADC/DAC 112に送り返され、ADC/DAC112はデジタル出力値をアナログ出力値に変換 するよう動作する。それにより、アナログ出力信号は、アナログ出力回路206 に通信される。 引き続き第2図を参照して、ADC/DAC112は比較器222,連続近似レジス タ(SAR:successive approximation register)224,マルチプレクサ226 ,デジタル−アナログ変換器(DAC)228およびデマルチプレクサ230を具 備する。ADC/DAC112は、比較器222に動作状態に結合されるデジタル制御 素子232,連続近似レジスタ224,マルチプレクサ226,デジタル−アナ ログ変換器(DAC)228およびデマルチプレクサ230をさらに備え、そのい くつかの動作モードにおいてADC/DAC112を適切に制御する。デジタル制御素 子232は制御可能であり、I/O制御装置120を通じて制御バス201上にデ ータを伝えることができる。 第1動作モードにおいて、ADC/DAC112はアナログ−デジタル変換装置とし て動作する。すなわち、マルチプレクサ226およびデマルチプレクサ230は 、SAR224の出力ポート229をDAC228の入力に結合するよう構築される。 比較器222の第1入力端子がアナログ入力回路202の出力端子219に結合 され、比較器222の第2入力端子は、DAC228のアナログ出力端子227に 結合される。比較器222は、出力端子233も有する。この構造においては、 比較器222,SAR224およびDAC228は、標準的な連続近似型のアナログ− デジタル変換装置として動作する。制御素子232は、出力端子219に提供さ れる信号の変換が成功するまでこの構造を維持する。当技術では周知の如く、SA R224からの出力デジタル値がアナログ信号に変換される場合、比較器222 が決定するアナログ入力信号に値が充分に近い場合に変換が成功したものとする 。アナログ入力を表すSAR224のデジタル・ワード出力はDSP204の入力に結 合される。 DSP204からの出力デジタル値がマルチプレクサ226に通信され、ADC/DAC 112が第2の出力される動作モードに関して構築される。すなわち、マルチプ レクサ226はDSP204の出力をDAC228に結合するよう構築される。デマル チプレクサ230は、DAC228の出力をアナログ出力回路206に結合するよ う構築される。DAC228は、デジタル出力値をアナログ出力値に変換し、それ が次にアナログ出力回路206,詳しくはそのサンプル/ホールド回路212に 結合される。 ADC/DAC112の第3動作モードにおいては、マルチプレクサ226はメモリ 208の出力をDAC228に結合するよう構築される。デマルチプレクサ230 は、DAC228の出力をアナログ入力回路202に、詳しくはそのサンプル/ホ ールド回路210に結合するよう構築される。アナログ入力装置202のデジタ ル・オフセット値がメモリ208から読み出される。デジタル・オフセット値は 、アナログ入力オフセット信号に変換される。アナログ入力オフセット信号はサ ンプル/ホールド回路210に通信され、その中に保持される。回路200の動 作中は、アナログ入力オフセットの定期的な更新が必要になる。ADC/DAC112 は、利用可能な処理時間、すなわちADC/DACが入力信号のアナログ−デジタル変 換も出力信号のデジタル−アナログ変換も行わずにオフセット信号更新プロセス を実行する間の時間を利用するという利点がある。第3図は、ADC/DAC112の タイミング構造300の一例を示す。 第3図を参照して、総回路サイクル302の間に上記の3つの動作モードが起 こる。クロック・サイクルまたはその他の適切なタイミング単位が304に図示 される。入力オフセット信号のデジタル−アナログ変換が306で起こり、出力 信号のデジタル−アナログ変換が310で起こる。これらの動作の各々は、本質 的にはデジタル値からアナロ グ値への直接的変換であり、ほぼ同数の処理サイクルを必要とする。次に、入力 信号のアナログ−デジタル変換が312で起こる。入力信号のアナログ−デジタ ル変換312に続き、サイクルは入力オフセット信号のデジタル−アナログ変換 306で反復される。センサ100の好適な実行例においては、それぞれ圧力お よび温度に対応する2つのアナログ入力が存在する。このため、言うまでもなく 、2つのアナログ・オフセット信号と2回の入力アナログ−デジタル変換が必要 であり、タイミングが適切に修正される。 上記の説明から、ADC/DAC112が有利に効率的に利用されて、必要なアナロ グ−デジタル変換演算およびデジタル−アナログ変換演算の各々を最小量の回路 構成で行う。SAR224とDAC228との間にマルチプレクサ226を、DAC22 8と比較器222との間にデマルチプレクサ230を加えることにより、複数の 動作に関して他の典型的なSAR ADC装置を有利に再利用することができる。たと えば、マルチプレクサ226へのデジタル入力を調整して結合し、デマルチプレ クサ230を介するアナログ出力を調整して結合することで、複数のデジタル− アナログ変換演算を実行することができる。第4図を参照して、回路200の代 替の好適な構造回路200’が複数の入力、すなわち複数のアナログ−デジタル 変換演算に関して構築されて示される。 第4図を参照して、回路200’は、検知素子信号調整 回路202a〜202nから複数のアナログ入力を受信するように図示されるAD C/DAC112’を備える。ADC/DAC112’は、基本的にはADC/DAC112と同じ であるが、複数の信号を処理するための顕著な変更点がある。回路200と同様 の素子には同様の参照番号が振られる。回路202a〜202nの各々は、複数 の検知素子装置などの複数のアナログ信号源からアナログ入力信号を受信するた めに結合される。たとえば、センサ100は、第1信号は温度、第2信号は圧力 である2つのセンサ信号入力を有する。また、ADC/DAC112’に結合される複 数の出力信号回路206a,206b...206nも図示される。さらに、回路 202a〜202nの各々からの出力信号はマルチプレクサ234を介して、前 述のアナログ−デジタル変換モードにおいてADC/DAC112’を利用してアナロ グ−デジタル変換を行う。ADC/DAC112’の動作も、デジタル制御素子232 により制御されるが、この素子232はそれぞれアナログ−デジタル変換を行い 、結果のデジタル値をDSP204に通信するようにADC/DAC112’を構築する。 DSP204からのデジタル出力値は、マルチプレクサ226およびDAC228を介 してアナログ信号に再び変換される。次にアナログ出力信号はデマルチプレクサ 230を介して個々の出力信号回路206a〜206nに通信される。また、AD C/DAC112’を、前述の如く回路202a〜202nにアナログ・オフセット 信号を提供するようにさら に構築することができる。 次に第5図を参照して、回路200の別の実施例200”が図示される。この 場合も、回路200と同様の要素を示すために同様の参照番号が用いられる。第 5図に見られるように、ADC/DAC112”は、SAR224の出力がDAC228の入 力に直接結合されるようにSAR224が再配置されて再構築される。また、マル チプレクサ226”は比較器222から出力を受信し、さらに、基本的にパラレ ル−シリアル変換器であるシリアル・デジタル・データ・コントローラ238か らシリアル・デジタル・データを受信するように再構築される。その他のすべて の点において、ADC/DAC112”はADC/DAC112と同じである。アナログ−デジ タル変換演算のために、比較器222の出力はマルチプレクサ226”を介して SAR224に結合される。アナログ信号の成功したデジタル変換は、ここでもDSP 204の入力に結合される。DSP204のデジタル出力値ならびにメモリ208 のデジタル値がシリアル・デジタル・データ・コントローラ238を介して結合 される。シリアル・デジタル・データ・コントローラ238は、DSP204とメ モリ208からパラレル・デジタル・データを受信し、シリアル・デジタル・デ ータ・ストリームをマルチプレクサ226”に送る。次にマルチプレクサ226 ”がシリアル・デジタル・データをSAR224に結合する。 第6図を参照して、ADC/DAC112のより詳細な回路図 600が図示される。好適な実行例においては、回路600は動作状態に結合さ れる入力キャパシタ・アレイ602,基準キャパシタ・アレイ604,比較器6 06および出力増幅器608を具備する。図面を単純にするために単端構成とし て図示されるが、用途によっては差分実行例が好まれる場合もあることは言うま でもない。さらに、差分方式の修正回路600は第6図およびと以降の説明とに より、充分に当技術の範囲内である。回路600は、複数の自動ゼロ/サンプル ・スイッチ(auto-zero/sample switches)614と、有効出力スイッチ616 と、デジタル−アナログ制御スイッチ618と、回路600の動作を制御するア ナログ−デジタル制御スイッチ620とをさらに備える。また、以下に説明する ように入力キャパシタ・アレイ602は第6図には単独のキャパシタとして図示 されるが、実際にはキャパシタ・アレイである。入力キャパシタ・アレイ602 は、好ましくは基準キャパシタ・アレイ604の相補アレイであるが、値は2倍 である。 回路600の好適な実行例は、自動ゼロ/サンプル・スイッチ614と有効出 力スイッチ616とを備えて回路600を形成する種々の要素、詳しくは比較器 606と出力増幅器608のオフセット誤差を打ち消す。第7図のタイミング図 に図示される回路600の好適な動作は、各デジタル−アナログ変換演算および アナログ−デジタル変換演算の前に、閉じた自動ゼロ/サンプル・スイッチ61 4お よび開いた有効出力スイッチ616を有する。デジタル−アナログ演算およびア ナログ−デジタル演算のいずれかの間に、自動ゼロ/サンプル・スイッチ614 が開となり、有効出力スイッチ616が閉となる。さらに第7図を参照して、ア ナログ−デジタル変換の間に、アナログ−デジタル制御スイッチ620が閉とな り、デジタル−アナログ制御スイッチ618が開となる。同様に、デジタル−ア ナログ変換の間にアナログ−デジタル制御スイッチ620が開となり、デジタル −アナログ制御スイッチ618が閉となる。 以上を念頭に置き第6図を再び参照して、アナログ−デジタル変換演算中に、 入力アナログ値が読み込まれて、入力キャパシタ・アレイ602に格納される。 連続近似計算がSAR-D/A制御610の制御下で行われ、入力キャパシタ・アレイ 602と等しい大きさの基準キャパシタ・アレイ604上で電荷が発達する。当 技術で周知の如く、各アレイの電荷の大きさが等しくなると、連続近似演算が終 了する。アナログ入力信号に対応するデジタル値がSAR-D/A制御610から読み 込まれ、バス612を介してデジタル値を必要とする演算に伝えられる。言うま でもなく、有効な制御方法はSAR-D/A制御610に組み込まれて変換時間を最小 限に抑え、変換精度を最大限にする。 デジタル−アナログ変換モードにおいては、デジタル値はバス612を介して 受信され、基準キャパシタ・アレイ 604上に読み込まれる。このアレイはバイナリ重み付けキャパシタ・アレイと して働く。基準キャパシタ・アレイ604の電荷は、入力キャパシタ・アレイ6 02に転送される。キャパシタ・アレイ602は、出力増幅器608の両端の帰 還キャパシタとして構築され、切換キャパシタ利得段を形成する。 アナログ−デジタル変換の誤差は、基準キャパシタ・アレイ604と入力キャ パシタ・アレイ602の整合の関数である。デジタル−アナログ変換の誤差は、 帰還キャパシタ、すなわち入力キャパシタ・アレイ602の基準キャパシタ・ア レイ604に対する関数である。デジタル−アナログ変換演算中に帰還関数にお いて入力キャパシタ・アレイを利用すると、利得誤差が最小限になる。さらに自 動ゼロ関数が動作してオフセット誤差を最小限にする。このようにして、回路6 00が効率的で構築可能なアナログ−デジタルおよびデジタル−アナログ変換を 最小限の誤差で実現することは言うまでもない。次に、センサ100を較正する 好適な方法を詳細に述べる。 センサ100を較正する方法は、前述のセンサの構造的機構と第8図に説明さ れる試験システムに依存する。 第8図は、好適な方法によりセンサを較正するために用いられる試験システム の概略図であり、第9図は、センサを較正する好適な方法を示す流れ図である。 第8図も第9図も以下の説明に引用される。 ここでは、センサの温度性能を較正する方法を詳細に説明する。説明された方 法は、温度性能についても圧力性能についても、センサのオフセット,感度およ び線形性を較正することができることが当業者には容易に理解頂けよう。 第1に、段階901において、センサ100が環境チャンバ803に入れられ る。環境チャンバ803の動作は信号809を介して試験装置801により制御 および監視される。センサは、信号807を介して試験装置801によって制御 および監視される。この較正例の間は、環境チャンバ内の圧力は一定に保たれる 。 次に段階903において、センサ100が第1物理条件にさらされる;この場 合は、第1温度である。 次に段階905において、デジタル−アナログ変換器228のアナログ出力端 子227がデマルチプレクサ230を介してアナログ信号調整回路202のパラ メータ制御入力端子221に結合され、メモリ装置208に格納されるデジタル 修正値のうちの第1デジタル修正値がメモリ装置208から、マルチプレクサ2 26を介して、デジタル−アナログ変換器228を通じて、アナログ信号調整回 路202のパラメータ制御入力端子221に送られる。一時的に第4図に戻るが 、メモリ装置208は、回路202a〜202nの各々と関連するデジタル修正 値を保持するように構築される。 第9図に戻り、段階907において、デジタル−アナロ グ変換器228のアナログ出力端子227がデマルチプレクサ230を介して比 較器222の第2入力端子225に結合され、SAR224の出力ポート229が 、マルチプレクサ226を介して、DAC228に結合され、ADC/DAC112を連続 近似型アナログ−デジタル変換器として構築する。アナログ信号調整回路202 から与えられる信号がADC/DAC112によって、第1デジタル修正値に依存する 第1デジタル出力信号に変換される。第1デジタル出力信号は、DSP204また は試験装置801のいずれかにより用いられるが、これについては後述する。 次に段階909において、試験装置801の制御下で、環境チャンバ803に 対し、センサ101を第2物理条件、この場合は第2温度にさらす命令が与えら れる。 次に段階911において、デジタル−アナログ変換器228のアナログ出力端 子227がデマルチプレクサ230を介して、比較器222の第2入力端子22 5に結合され、アナログ信号調整回路202から与えられる信号がADC/DAC11 2によって第1デジタル修正値に依存する第2デジタル出力信号に変換される。 段階913において、第1デジタル出力信号および第2デジタル出力信号が、 試験装置801またはDSP204により、試験装置801の制御下で、デジタル 制御素子232に制御バス201上に伝えられる信号807を介して分析され、 第2デジタル修正値がそれに応じて与えられる。 この第2デジタル修正値がメモリ208に格納される。第2デジタル修正値が導 かれると、アナログ信号調整回路202を恒久的にトリミングすなわち較正する ことができる。 次に段階915において、デジタル−アナログ変換器228のアナログ出力端 子227が、デマルチプレクサ230を介して、アナログ信号調整回路202の パラメータ制御入力端子221に結合される。次に、デジタル修正値のうちの第 2デジタル修正値がメモリ装置208からデジタル−アナログ変換器228を通 じてアナログ信号調整回路202のパラメータ制御入力端子221に送られる。 これでアナログ信号調整回路202が較正され、検知素子信号をそのデジタル表 現に適切に変換するためにこの回路が用いられる。 段階917において、デジタル−アナログ変換器228のアナログ出力端子2 27がデマルチプレクサ230を用いて比較器222の第2入力端子225に結 合され、ADC/DAC112は、この場合も連続近似型アナログ−デジタル変換器と して構築される。アナログ信号調整回路202から与えられる信号はADC/DAC1 12によって第2デジタル修正値に依存する第3デジタル出力信号に変換される 。第3デジタル出力信号が利用可能になると、それをDSP204により、第4の 温度補償済みのデジタル信号に処理することができる。次に、DSP204はマル チプレクサ226を介してデジタル−アナログ変換器228に結合され、 デジタル−アナログ変換器228のアナログ出力端子227がデマルチプレクサ 230を介してアナログ出力回路206に結合される。この構造では、ADC/DAC 112はDACとして設定され、第4デジタル信号をアナログ出力端子203にお ける調整済み(および較正済みの)センサ信号に変換する。この信号は、アナロ グ出力端子203で得られるが、ピン132に結合されるので、調整済みセンサ 信号をセンサのパッケージの外部で提供することができる。 本発明を電子的に較正される耐圧センサの好適な実施例に関して説明した。さ らに詳しくは、本発明のセンサは、センサ100の好適な実行例において必要と される数多くのアナログ−デジタル変換およびデジタル−アナログ変換を行いな がら、回路素子を最小限に抑える独自の構築可能なアナログ−デジタル/デジタ ル−アナログ変換装置を備えて開示される。本発明は複数のアナログ−デジタル およびデジタル−アナログ変換演算を必要とするその他のデータ捕捉システムに 容易に適応される。開示された構造は、説明される柔軟なアーキテクチャを適応 する較正方法も含む。この方法によって、ハードウェア効率の良い正確なセンサ ・システムの製造が可能になる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Signal conditioning circuit with ADC / DAC combined sensor system and method thereof                                Field of the invention   The present invention relates generally to sensors and circuit configurations for conditioning sensor signals, and Or analog-digital converter / digital-analog converter (ADC / DAC) The present invention relates to a signal conditioning circuit for a sensor having a coupling device.                                Background of the Invention   The world uses sensor devices that detect physical phenomena and provide signals in response to those phenomena. Overflowing. For example, a thermometer provides a visual signal of the physical condition temperature. To the height of the mercury column. Another example of a temperature sensing device is to send a physical condition temperature. There are thermocouples that convert to air signals. To use sensor signals, you need to You must be able to understand and respond. For example, a thermometer on a glass column Is marked with a line to indicate the degree of temperature. Of course, for this line to be meaningful Must be in the correct position on the glass column and the process of placing the lines correctly Calibrate (Calibration). During calibration, the sensor is exposed to known physical conditions or conditions. Place and observe the reaction. Observing the response of the sensor to known conditions Thus, the response of the sensor with respect to a wide range of conditions can be predicted.   A pressure sensor is a device that provides a signal representing pressure, for example, the air pressure in a tire. is there. Like other types of sensors, calibration is required to make use of the pressure sensor. Endurance Certain types of pressure sensors, known as pressure sensors, generate a voltage signal representing pressure. . Pressure-resistant sensors have several problems in applications. For example, withstand voltage sensing element Generates a relatively low level voltage signal. The withstand voltage detection element is sensitive to temperature changes. It can produce a signal that does not change linearly with pressure changes. further In addition, the signal voltage characteristics between the sensing elements are not consistent. Therefore, a wide range of operating temperatures and pressures Special for sensor products that provide sufficiently accurate high level sensor output in A simple signal adjustment circuit is required. This device is low cost and has high reproducibility between parts. It is important to be able to mass-produce.   Many low-cost signal conditioning methods use analog circuitry that is conditioned during the calibration process. adopt. For example, it is known to use an amplifier circuit coupled to a resistor network. You. In one such application, a resistor network is connected to a plurality of fusible links. Are included. There is a limit to the degree of adjustment that can be made, but a reasonable Various to provide power The resistance value is set. In another application, the resistor network has laser-trimmable resistor elements. I can. During the calibration process, the resistive element is trimmed using a laser and the amplifier network To achieve the correct resistance value to provide the proper output from. For any use Melt links and / or laser trim components This requires access to the circuit during processing. For this reason, Options are limited. For some applications, sensitivity and linearity are separately compensated. It will be difficult to compensate. In addition, processing operations following the calibration allow the final product Errors that cannot be corrected. Also, the laser trimming process Requires expensive processing hardware and increases cycle time.   An alternative design allows for electronic calibration of the sensing element. Electronic calibration sensors Coupled to the sensor element via the appropriate signal conditioning circuitry, holding the calibration method A microprocessor coupled to the memory. During processing, various sensing elements Under known operating conditions. Calibration values are set and stored in memory. in action The microprocessor operates with the method and calibration values to provide the sensor output. You. In another implementation, a digital signal processor (DSP) is used. Perform the necessary calculations on the digital value of the sensor element output using r).   Systems implemented using digital technology are generally 1) Front-end analog signal adjustment, 2) Analog-digital conversion, 3) Data Digital processing, 4) digital-analog conversion, and 5) back-end analog signal Signal output drive. Front-end adjustments are digitally programmed Often configured by ramming gain and offset functions, In some cases, the offset signal is provided by some form of digital-to-analog converter (DAC). It is usually generated. Signal conditioning circuit also includes some form of disturbance variable compensation In that case, the disturbance variable signal is also front-end adjusted and digitized.   Sensor signal conditioning circuit includes at least two analog-to-digital converters (ADCs) May be needed. One is to digitize the output of the sensing element. One is for digitizing a disturbance variable signal. Detector output and To adjust the front end signal of the disturbance variable, the DAC device adjusts the appropriate control signal. Must be provided to the rectifier circuit. It also analyzes the digitized and modified sensor output. It needs to be converted back to a log. Therefore, the signal conditioning circuit consists of two ADCs and three You may need one DAC. These devices are implemented in integrated circuits Die area is intensive, but this is especially true for ADC and DAC Directly to the physical dimensions of the matching components to be built (capacitors, resistors, transistors, etc.) Because it is related to. Some analog-digital and digital-analog Perform the operation Due to the large amount of die area required to perform Digital technology has been hampered.   A typical continuous approximation implementation of an ADC includes at least one DAC. analog -Requires digital and digital-to-analog conversion (A / D and D / A, respectively) If so, it is known that the DAC can be reused in the ADC device. Examples of this architecture include analog signal conditioning or circuit calibration for A / D and D / A. Cannot be realized. In addition, some D / A outputs and Many as required in sensor signal conditioning circuits with several A / D outputs A circuit that requires A / D and D / A conversion operations cannot be executed.   Therefore, the digital signal processing is used to effectively utilize the ADC and DAC devices. Electronically calibrated sensing devices still minimize the number of devices in the conditioning circuit is necessary. The sensing device is preferably a signal processing circuit that performs digital calibration of the sensor. Path and its analog input adjustment circuit. Basically, the hardware is more There is a need for an accurate technique to be used effectively.                             BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES   FIG. 1 shows a signal conditioning circuit according to a preferred embodiment of the present invention. It is a block diagram showing a sensor system provided.   FIG. 2 is a block diagram of an ADC / DAC device according to a preferred embodiment of the present invention.   FIG. 3 is a timing chart showing the operation of the circuit of FIG.   FIG. 4 is a block diagram of an ADC / DAC device according to another preferred embodiment of the present invention. .   FIG. 5 is a block diagram of an ADC / DAC device according to another embodiment of the present invention.   FIG. 6 is a circuit diagram of an ADC / DAC device according to a preferred embodiment of the present invention.   FIG. 7 is a timing chart further illustrating the operation of the ADC / DAC device of the present invention.   FIG. 8 shows a test system used to calibrate a sensor in a preferred manner. FIG.   FIG. 9 is a flowchart illustrating a preferred method of calibrating the sensor.                          Detailed Description of the Preferred Embodiment   In a sensor that is electronically calibrated, a sensing element is coupled to a calibration circuit. Provides an intelligent device output signal. The calibration circuit is computationally efficient and provides a usable sensor output. Compensation for temperature fluctuation of output of sensing element to provide force signal, fluctuation between parts, Linearization and scaling can be performed. The calibration method includes substantial components Efficient ADC / DAC device for product reuse. Calibration circuit and ADC / DAC device However, it goes without saying that it is applicable to all kinds of sensors.   Referring to FIG. 1, sensor 100 is coupled to signal conditioning circuit 104, where A sensing element 102 for providing a pressure sensor signal 101 is provided. Signal conditioning circuit 10 4 is preferably constructed as a single-chip integrated circuit and includes a preconditioning circuit for the pressure signal. 106, temperature signal preliminary adjustment circuit 108, multiplexer 110, analog Digital / digital-analog converter (ADC / DAC) 112, electronically erasable writable Read only memory (EEPROM: electronically erasable programmable read only)  memory) 114, control memory register 116, polynomial calculator 118, input / output Force (I / O) controller 120, output filter 122, and output driver 124 Is provided. Circuit 104 provides an output that is appropriately coupled to the above circuit elements known in the art. And an oscillator 126 coupled to the clock generator 128 having Further In addition, as will be appreciated by those skilled in the art, depending on the acoustic design, the circuit 104 may include overvoltage protection, Additional operating voltage generator, power on / reset function and test logic (not shown) Have.   Sensing element 102 is preferably well known in the art for generating a pressure indicating signal. A piezoresistive sensor formed as part of a semiconductor die, as in sing element) It is. In a preferred implementation, sensing element 102 is formed as a discrete element. , May be coupled to the signal conditioning circuit 104 (as shown in FIG. 1). Alternatively, it may be integrally formed as a part of the processing circuit chip. Sensing element 10 2 further provides a temperature signal 103. In an alternative preferred embodiment, the temperature Another temperature sensing device is provided to provide the signal. Output from sensing element 102 The signals 101 and 103 are relatively low-level signals, and generally change with temperature. Variable and varies substantially between parts. Output signals 101 and 103 of the sensing element 102 Also includes certain non-linear characteristics. Therefore, the output signal of the sensing element 102 is Operated by the signal adjustment circuit 104 to perform temperature compensation in the usable voltage range. Provide a substantially linear signal.   More specifically, the pressure and temperature output signals 101 and 103 of the sensing element 102 are , Respectively, coupled to pressure and temperature preconditioning circuitry 106, 108, respectively. The filtering, amplification, and offset are applied to the output signal of the detection element 102. Forecast The conditioned pressure and temperature signals are then selected via multiplexer 110 To the ADC / DAC 112. The ADC / DAC 112 And provide a digital pressure signal and a digital temperature signal, respectively.   The digital pressure signal and the digital temperature signal from the ADC / DAC 112 are transferred to the bus 13. 0 through register 116 and It is coupled to a term equation calculator 118. The EEPROM 114 has a data storage part. Sa More specifically, polynomial calculator 118 is used in providing compensated pressure sensor signals. Storage for a plurality of calibration data. Output signal of polynomial calculator 118 Is coupled to ADC / DAC 112 via bus 130, where the digital output signal is regenerated. And converted to an analog output signal. The analog output signal is obtained by using the filter 122. The signal is filtered, amplified, and output by the output driver 124. I / O controller 120 provides external access to the sensor 100 using a minimum number of pins 132 Thus, access and operation capability such as writing to the EEPROM 114 are provided.   The preferred structure of the ADC / DAC 112 will be described, and the detection element signal adjustment circuit shown in FIG. The operation of the road 200 will be described in detail with reference to the embodiment. The signal conditioning circuit 200 , ADC / DAC 112, digitally compensated analog input circuit or A log signal adjustment circuit 202, a digital signal processing circuit 204, and an analog output driver. And a memory device 208 having an output bus 231. No. Compared to the elements shown in FIG. 1, the circuit element 202 is the preconditioning element 106 or It is considered similar to the pre-adjustment element 108. Similarly, circuit element 206 has an output Similar to the filter 122 and the output driver 124, the circuit 204 includes a polynomial calculator 1 18, and the circuit element 208 can be considered similar to the memory 114. .   The digitally compensated analog input or signal conditioning circuit 202 is essentially a , Analog signal input terminal 217, compensation signal sample / hold circuit 210, driver The amplifier includes an inverter circuit 214, an adder circuit 218, and an output terminal 219. The compensation signal is periodically provided by the ADC / DAC 112 in the form of an analog offset signal. Analog / parameter control input terminal 221 Is communicated via The offset signal is supplied to the driver circuit via the addition circuit 218. 214 input and offset corrected analog as is well known in the art. Input signal. The analog offset value is determined during the sensor 100 calibration process. It is determined. Memory 208 stores the digital offset value during the calibration process. Data structure. A digital audio signal provided via output bus 231 The offset value is converted to an analog offset value signal by the ADC / DAC 112. And an analog offset value suitable for use by the driver circuit 214. rear ADC / DAC 112 periodically obtains a digital offset value as described in And converts the digital offset value to an analog offset value signal, It communicates with the analog input circuit 202 via the analog control input terminal 221. off Operation parameters other than the set can also be stored in the data structure of the memory 208. Can be converted and sent to modify the operation of the analog input circuit 202. You. Other parameters Include gain, linearity, temperature or other compensation parameters.   An output of the analog input circuit 202, that is, an analog signal is output through an output terminal 219. Then, it is communicated to the ADC / DAC 112. The ADC / DAC 112 inputs analog signals digitally. Convert to force value or digital continuous approximation data. The digital input value is To the digital circuit or DSP 204, which operates on digital input values. And provide a digital output value that depends on it. Digital output value is ADC / DAC Returned to 112, ADC / DAC 112 converts digital output value to analog output value To work. Thereby, the analog output signal is output to the analog output circuit 206. Will be communicated to.   Continuing to refer to FIG. 2, ADC / DAC 112 includes a comparator 222 and a continuous approximation resistor. (SAR: successful approximation register) 224, multiplexer 226 , A digital-to-analog converter (DAC) 228 and a demultiplexer 230 Be prepared. ADC / DAC 112 is a digital control operatively coupled to comparator 222 Element 232, continuous approximation register 224, multiplexer 226, digital-analog A log converter (DAC) 228 and a demultiplexer 230; The ADC / DAC 112 is appropriately controlled in several operation modes. Digital control element The child 232 is controllable, and is controlled on the control bus 201 through the I / O control device 120. Data.   In the first operation mode, the ADC / DAC 112 operates as an analog-to-digital converter. Works. That is, the multiplexer 226 and the demultiplexer 230 , SAR 224 is coupled to the input of DAC 228. The first input terminal of the comparator 222 is coupled to the output terminal 219 of the analog input circuit 202 The second input terminal of the comparator 222 is connected to the analog output terminal 227 of the DAC 228. Be combined. The comparator 222 also has an output terminal 233. In this structure, The comparator 222, the SAR 224, and the DAC 228 are standard continuous approximation type analog- Operates as a digital conversion device. Control element 232 is provided at output terminal 219. This structure is maintained until the conversion of the signal to be performed is successful. As is well known in the art, SA If the output digital value from R224 is converted to an analog signal, the comparator 222 Conversion is considered successful if the value is close enough to the analog input signal determined by . The digital word output of the SAR 224 representing the analog input is connected to the input of the DSP 204. Are combined.   The output digital value from DSP 204 is communicated to multiplexer 226 and 112 is constructed for the second output mode of operation. That is, multiple Lexer 226 is configured to couple the output of DSP 204 to DAC 228. Demar A multiplexer 230 couples the output of DAC 228 to analog output circuit 206. Be built. DAC 228 converts the digital output value to an analog output value, To the analog output circuit 206, more specifically, its sample / hold circuit 212. Be combined.   In the third operation mode of the ADC / DAC 112, the multiplexer 226 stores the memory The output of 208 is constructed to couple to DAC 228. Demultiplexer 230 Outputs the output of the DAC 228 to the analog input circuit 202. And is configured to couple to the Digital input of analog input device 202 The offset value is read from the memory 208. The digital offset value is , Is converted to an analog input offset signal. Analog input offset signal It is communicated to the sample / hold circuit 210 and held therein. Behavior of circuit 200 During the operation, it is necessary to periodically update the analog input offset. ADC / DAC112 Is the available processing time, i.e. the ADC / DAC converts the input signal from analog to digital Signal update process without conversion or digital-to-analog conversion of output signal Has the advantage of taking advantage of the time between running. FIG. 3 shows the ADC / DAC 112 1 shows an example of a timing structure 300.   Referring to FIG. 3, during the total circuit cycle 302, the above three operation modes occur. This. Clock cycle or other suitable timing unit is shown at 304 Is done. A digital to analog conversion of the input offset signal occurs at 306 and the output Digital-to-analog conversion of the signal occurs at 310. Each of these actions is essentially Analog from digital values Is a direct conversion to an analog value and requires approximately the same number of processing cycles. Then enter Analog-to-digital conversion of the signal occurs at 312. Analog to digital input signal Following the digital conversion 312, the cycle is a digital-to-analog conversion of the input offset signal. Repeated at 306. In a preferred implementation of the sensor 100, the pressure and There are two analog inputs corresponding to temperature and temperature. For this reason, needless to say Requires two analog offset signals and two input analog-to-digital conversions And the timing is modified appropriately.   From the above description, it can be seen that the ADC / DAC 112 is advantageously and efficiently utilized to provide the necessary analog A minimum amount of circuits for each of the digital-to-digital conversion operation and the digital-to-analog conversion operation Perform with configuration. A multiplexer 226 is provided between the SAR 224 and the DAC 228, 8 and the comparator 222 add a demultiplexer 230 to Other typical SAR ADC devices can be advantageously reused for operation. And For example, the digital inputs to multiplexer 226 may be adjusted and combined, and demultiplexed. By adjusting and combining the analog output through the mixer 230, a plurality of digital An analog conversion operation can be performed. Referring to FIG. Alternate preferred structural circuit 200 'has multiple inputs, i.e., multiple analog-digital Constructed and shown for the transform operation.   Referring to FIG. 4, a circuit 200 'includes a sensing element signal adjustment. AD shown to receive multiple analog inputs from circuits 202a-202n A C / DAC 112 'is provided. ADC / DAC 112 'is basically the same as ADC / DAC 112 However, there are significant changes for processing multiple signals. Same as circuit 200 Are given the same reference numbers. Each of the circuits 202a to 202n has a plurality of Receive analog input signals from multiple analog signal sources, such as To be combined. For example, in the sensor 100, the first signal is temperature, and the second signal is pressure. Has two sensor signal inputs. In addition, a copy coupled to the ADC / DAC 112 '. Output signal circuits 206a, 206b. . . 206n is also shown. In addition, the circuit The output signal from each of 202a-202n is passed through multiplexer 234 to a previous In the analog-to-digital conversion mode described above, the analog / digital conversion is performed using the ADC / DAC 112 '. Performs digital-to-digital conversion. The operation of the ADC / DAC 112 'is also controlled by the digital control element 232. The elements 232 each perform an analog-to-digital conversion. , The ADC / DAC 112 'is constructed to communicate the resulting digital value to the DSP 204. The digital output value from DSP 204 passes through multiplexer 226 and DAC 228. And converted back to an analog signal. Next, the analog output signal is demultiplexed. Communication is via 230 to individual output signal circuits 206a-206n. Also AD Analog offset from C / DAC 112 'to circuits 202a-202n as described above. Further to provide a signal Can be built.   Referring now to FIG. 5, another embodiment 200 "of the circuit 200 is illustrated. In these cases, the same reference numerals are used to indicate the same elements as those of the circuit 200. No. As shown in FIG. 5, the ADC / DAC 112 ″ outputs the SAR 224 to the input of the DAC 228. The SAR 224 is repositioned and reconstructed to be directly coupled to the force. Also, The multiplexer 226 "receives the output from the comparator 222 and further basically Serial-to-digital data controller 238 Are reconfigured to receive serial digital data from them. All others In this respect, the ADC / DAC 112 ″ is the same as the ADC / DAC 112. For the Tal transform operation, the output of comparator 222 is passed through multiplexer 226 ". Coupled to SAR 224. Successful digital conversion of analog signals, again DSP 204 is coupled to the input. Digital output value of DSP 204 and memory 208 Digital values are coupled via serial digital data controller 238 Is done. The serial digital data controller 238 communicates with the DSP 204 and the The parallel digital data is received from the memory 208 and the serial digital data is received. Data stream to multiplexer 226 ". "Couples the serial digital data to the SAR 224.   Referring to FIG. 6, a more detailed circuit diagram of the ADC / DAC 112 will be described. 600 is shown. In a preferred implementation, circuit 600 is operatively coupled. Input capacitor array 602, reference capacitor array 604, comparator 6 06 and an output amplifier 608. For simplicity of drawing, it is a single-ended configuration However, it is needless to say that the difference execution example may be preferable depending on the application. not. Further, the correction circuit 600 of the difference method is described in FIG. 6 and the following description. More well within the skill of the art. The circuit 600 has multiple auto zeros / samples. A switch (auto-zero / sample switches) 614 and an effective output switch 616 , A digital-analog control switch 618, and an interface for controlling the operation of the circuit 600. A digital-to-digital control switch 620. Also described below 6, the input capacitor array 602 is shown as a single capacitor in FIG. But it is actually a capacitor array. Input capacitor array 602 Is preferably a complementary array of the reference capacitor array 604, but the value is doubled. It is.   A preferred implementation of circuit 600 is with an automatic zero / sample switch 614 and a valid output. The various elements forming the circuit 600 with the force switch 616, in particular the comparator An offset error between the output amplifier 606 and the output amplifier 608 is canceled. Timing diagram of FIG. The preferred operation of the circuit 600 illustrated in FIG. Automatic zero / sample switch 61 closed before analog-to-digital conversion operation 4 And an active output switch 616 that is open. Digital-analog operations and Automatic Zero / Sample Switch 614 During Any of the Analog-Digital Operations Is opened, and the effective output switch 616 is closed. Still referring to FIG. During the analog-to-digital conversion, the analog-to-digital control switch 620 is closed. Then, the digital-analog control switch 618 is opened. Similarly, digital-A During analog conversion, the analog-to-digital control switch 620 is opened and the digital The analog control switch 618 is closed.   With the above in mind, and referring again to FIG. 6, during the analog-to-digital conversion operation, The input analog values are read and stored in input capacitor array 602. A continuous approximation calculation is performed under the control of the SAR-D / A control 610 and the input capacitor array Charge develops on a reference capacitor array 604 that is as large as 602. This As is well known in the art, when the magnitude of the charge on each array is equal, the successive approximation operation terminates. Complete. The digital value corresponding to the analog input signal is read from the SAR-D / A control 610. And communicated via bus 612 to operations that require digital values. Say However, an effective control method is incorporated in the SAR-D / A control 610 to minimize the conversion time. To maximize the conversion accuracy.   In the digital-to-analog conversion mode, digital values are transmitted via bus 612. Received and reference capacitor array 604 is read. This array is a binary weighted capacitor array Work. The charge on the reference capacitor array 604 is 02. Capacitor array 602 is connected across output amplifier 608. Built as a return capacitor, forming a switching capacitor gain stage.   The error in the analog-to-digital conversion is determined by the reference capacitor array 604 and the input capacitor. It is a function of the alignment of the pasita array 602. The error of the digital-analog conversion is The feedback capacitor, i.e., the reference capacitor Function for ray 604. During the digital-analog conversion operation, the feedback function The use of an input capacitor array minimizes gain errors. More self A dynamic zero function operates to minimize offset errors. Thus, the circuit 6 00 is an efficient and configurable analog-to-digital and digital-to-analog conversion Needless to say, it is realized with a minimum error. Next, the sensor 100 is calibrated. The preferred method is described in detail.   The method of calibrating the sensor 100 is described in the structural mechanism of the sensor described above and in FIG. Depends on the test system used.   FIG. 8 shows a test system used to calibrate a sensor in a preferred manner. FIG. 9 is a flowchart illustrating a preferred method of calibrating the sensor. Both FIG. 8 and FIG. 9 are referenced in the following description.   Here, a method for calibrating the temperature performance of the sensor will be described in detail. Explained The method determines the offset, sensitivity, and sensitivity of the sensor for both temperature and pressure performance. Those skilled in the art will readily understand that the linearity and linearity can be calibrated.   First, in step 901, the sensor 100 is placed in the environmental chamber 803. You. The operation of the environmental chamber 803 is controlled by the test apparatus 801 via the signal 809 And be monitored. Sensor controlled by test equipment 801 via signal 807 And be monitored. During this calibration example, the pressure in the environmental chamber is kept constant .   Next, in step 903, the sensor 100 is exposed to a first physical condition; If so, it is the first temperature.   Next, in step 905, the analog output terminal of the digital-analog converter 228 The signal 227 is connected to the analog signal adjusting circuit 202 via the demultiplexer 230. Digitally coupled to the meter control input terminal 221 and stored in the memory device 208 The first digital correction value of the correction values is stored in memory device 208 from multiplexer 2. 26, through a digital-to-analog converter 228, an analog signal adjustment circuit. It is sent to the parameter control input terminal 221 of the path 202. Returning temporarily to Fig. 4, , Memory device 208 includes a digital modification associated with each of circuits 202a-202n. Constructed to hold values.   Returning to FIG. 9, in step 907, the digital-analog The analog output terminal 227 of the analog-to-digital converter 228 The output port 229 of the SAR 224 is coupled to the second input terminal 225 of the comparator 222. , Is coupled to the DAC 228 via the multiplexer 226 to continuously connect the ADC / DAC 112. Constructed as an approximate analog-to-digital converter. Analog signal adjustment circuit 202 Is dependent on the first digital correction value by the ADC / DAC 112 It is converted to a first digital output signal. The first digital output signal is the DSP 204 or Is used by any of the test apparatuses 801, which will be described later.   Next, in step 909, the environment chamber 803 is controlled under the control of the test apparatus 801. On the other hand, a command to expose the sensor 101 to the second physical condition, in this case, the second temperature, is given. It is.   Next, in step 911, the analog output terminal of the digital-to-analog converter 228 The child 227 is connected to the second input terminal 22 of the comparator 222 through the demultiplexer 230. 5 and provided from the analog signal adjustment circuit 202 to the ADC / DAC 11 2 is converted to a second digital output signal dependent on the first digital correction value.   In step 913, the first digital output signal and the second digital output signal are: Under the control of the test apparatus 801 by the test apparatus 801 or the DSP 204, the digital Analyzed via signal 807 passed on control bus 201 to control element 232, A second digital correction value is provided accordingly. This second digital correction value is stored in the memory 208. Second digital correction value is derived Then permanently trim or calibrate the analog signal conditioning circuit 202 be able to.   Next, at step 915, the analog output terminal of the digital-to-analog converter 228 The child 227 is connected to the analog signal adjustment circuit 202 via the demultiplexer 230. It is coupled to a parameter control input terminal 221. Next, the digital correction value 2 The digital correction value is passed from the memory device 208 through the digital-to-analog converter 228. Then, the signal is sent to the parameter control input terminal 221 of the analog signal adjustment circuit 202. The analog signal conditioning circuit 202 is now calibrated and the sensing element signal is displayed in its digital representation. This circuit is actually used for proper conversion.   In step 917, the analog output terminal 2 of the digital-to-analog converter 228 27 is connected to the second input terminal 225 of the comparator 222 using the demultiplexer 230. ADC / DAC 112 is again a continuous approximation type analog-to-digital converter. It is built. The signal provided from the analog signal adjustment circuit 202 is ADC / DAC1 12 is converted to a third digital output signal dependent on the second digital correction value. . When the third digital output signal becomes available, it is converted by DSP 204 to the fourth digital output signal. It can be processed into a temperature-compensated digital signal. Next, the DSP 204 Coupled to a digital-to-analog converter 228 via a multiplexer 226, The analog output terminal 227 of the digital-analog converter 228 is a demultiplexer Coupled to the analog output circuit 206 via 230. In this structure, ADC / DAC 112 is set as a DAC, and outputs the fourth digital signal to the analog output terminal 203. To a calibrated (and calibrated) sensor signal. This signal is Output terminal 203, but coupled to pin 132, so that the adjusted sensor The signal can be provided outside the package of the sensor.   The invention has been described with reference to a preferred embodiment of an electronically calibrated pressure-resistant sensor. Sa More specifically, the sensor of the present invention is needed in a preferred implementation of sensor 100. Do many analog-to-digital and digital-to-analog conversions In addition, a unique configurable analog-digital / digital converter that minimizes circuit elements It is disclosed with a analog-to-analog converter. The invention relates to multiple analog-digital And other data acquisition systems that require digital-to-analog conversion operations Easily adapted. The disclosed structure adapts the described flexible architecture Calibration method. In this way, hardware efficient and accurate sensors ・ Production of the system becomes possible.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ルーガー,ティモシー アメリカ合衆国テキサス州オースチン、マ ックデード・ドライブ5025 (72)発明者 ザーノッキ,ウォルター アメリカ合衆国イリノイ州ホフマン・エス テーツ、エリオット・ドライブ5256────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Luger, Timothy             Austin, Texas, United States             Goodeed Drive 5025 (72) Inventor Zarnocki, Walter             Hoffman S., Illinois, United States             Tates, Elliott Drive 5256

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1.信号を提供する出力端子と、前記信号のパラメータを制御する入力端子と を有する増幅器; 前記増幅器の前記出力端子に結合され前記信号を受信する第1入力端子と、第 2入力端子と、出力端子とを有する比較器; 前記比較器の前記出力端子に動作状態に結合される連続近似装置であって、デ ジタル連続近似データを提供する出力バスを有する連続近似装置; デジタル・パラメータ・データを提供する別の出力バスを有するメモリ装置; および アナログ出力端子を有するデジタル−アナログ変換器であって、前記デジタル −アナログ変換器が前記連続近似装置の前記出力バスに結合されるとき、前記ア ナログ出力端子が前記比較器の前記第2入力端子に結合され、前記デジタル−ア ナログ変換器が前記メモリ装置の前記別の出力バスに結合されるとき、前記アナ ログ出力端子が前記信号の前記パラメータを制御する前記入力端子に結合される デジタル−アナログ変換器; によって構成されることを特徴とする信号調整回路。 2.前記連続近似装置により提供される前記デジタル連続近似データが前記増 幅器によって出力される前記信号に依存することを特徴とする請求項1記載の回 路。 3.前記増幅器の信号入力端子に動作状態に結合されるセンサ出力信号を有す るセンサであって、前記連続近似装置によって提供される前記デジタル連続近似 データが前記センサ出力信号と前記デジタル・パラメータ・データとに依存する センサによってさらに構成されることを特徴とする請求項2記載の回路。 4.センサのための信号調整回路であって: センサ出力信号を有する検知素子; 前記センサ出力信号を受信するために結合される信号入力端子と、出力端子と 、アナログ制御入力端子とを有する検知素子信号調整回路; 第1デジタル修正値を含むデータ構造を有するメモリ; 信号処理回路;および アナログ信号入力端子と、デジタル信号入力ポートと、アナログ信号出力端子 と、デジタル信号出力ポートとを有するアナログ−デジタル/デジタル−アナロ グ変換(ADC/DAC)回路であって、前記アナログ−デジタル/デジタル−アナロ グ変換(ADC/DAC)回路が: アナログ信号を前記検知素子信号信号調整回路出力から前記アナログ信号入力 端子を介して受信し、そのデジタル表現を前記デジタル信号出力ボートにおいて 提供すること; 前記信号処理回路からデジタル信号を受信し、そのアナログ表現を前記アナロ グ信号出力端子において提供するこ と;および 前記第1デジタル修正値を前記メモリから受信し、それに依存するアナログ制 御信号を前記検知素子信号調整回路アナログ制御入力端子に提供すること; を行うよう適応される前記アナログ−デジタル/デジタル−アナログ変換(AD C/DAC)回路; によって構成されることを特徴とする信号調整回路。 5.前記アナログ−デジタル/デジタル−アナログ変換(ADC/DAC)回路が: マルチプレクサとデマルチプレクサとの間に結合されるデジタル−アナログ変 換器であって、前記デマルチプレクサの出力が比較器の第1入力に結合され、前 記比較器の第2入力が前記検知素子信号調整回路出力端子に結合され、前記比較 器が連続近似レジスタ回路の入力に結合される出力を有し、前記連続近似レジス タ回路の出力が前記マルチプレクサの入力に結合されるデジタル−アナログ変換 器; によって構成されることを特徴とする請求項4記載の回路。 6.前記アナログ−デジタル/デジタル−アナログ変換(ADC/DAC)回路が: 前記アナログ信号入力端子に結合される入力キャパシタ・アレイと、前記連続 近似レジスタ回路に結合される基準キャパシタ・アレイであって、前記入力キャ パシタ・アレイと前記基準キャパシタ・アレイの各々が前記比較器の 前記第2入力に結合される出力を有する入力キャパシタ・アレイおよび基準キャ パシタ・アレイ; によって構成されることを特徴とする請求項5記載の回路。 7.前記メモリが前記マルチプレクサの別入力に結合されることを特徴とする 請求項5記載の回路。 8.前記アナログ−デジタル/デジタル−アナログ変換(ADC/DAC)回路が: 前記比較器の前記第2入力と前記検知素子信号調整回路との間に結合されるマ ルチプレクサであって、少なくとも1つの他の検知素子信号調整回路にさらに結 合されるマルチプレクサ; によってさらに構成されることを特徴とする請求項5記載の回路。 9.前記メモリの前記データ構造が前記少なくとも1つの他の検知素子信号調 整回路の制御に関する別のデジタル修正値を有し、前記アナログ−デジタル/デ ジタル−アナログ変換(ADC/DAC)回路が、前記メモリから前記別のデジタル修 正値を受信し、前記別のデジタル修正値に基づくアナログ制御信号を前記少なく とも1つの他の検知素子信号調整回路の制御入力に提供するようさらに適応され ることを特徴とする請求項8記載の回路。 10.前記アナログ−デジタル/デジタル−アナログ変換(ADC/DAC)回路が : 連続近似レジスタとデマルチプレクサとの間に結合されるデジタル−アナログ 変換器であって、前記デマルチプレクサの出力が比較器の入力に結合され、前記 比較器が前記検知素子信号調整回路の前記出力端子に結合される第2入力を有し 、前記比較器の出力がマルチプレクサの入力に結合され、前記マルチプレクサの 出力が前記連続近似レジスタの入力に結合されるデジタル−アナログ変換器; によって構成されることを特徴とする請求項4記載の回路。 11.前記アナログ−デジタル/デジタル−アナログ変換(ADC/DAC)回路が 、前記メモリに結合される入力と、前記マルチプレクサの第2入力に結合される 出力とを有するシリアル・デジタル・データ・コントローラによって構成される ことを特徴とする請求項10記載の回路。 12.前記アナログ−デジタル/デジタル−アナログ変換(ADC/DAC)回路が : 前記アナログ信号入力端子と前記比較器との間に結合される入力キャパシタ・ アレイと、前記連続近似レジスタと前記比較器との間に結合される基準キャパシ タ・アレイ; によって構成されることを特徴とする請求項11記載の回路。 13.アナログ信号入力端子,パラメータ制御入力端子およびアナログ信号出 力端子を有するアナログ信号調整回路と、前記アナログ信号調整回路の前記アナ ログ信号出力 端子に結合される第1入力端子,第2入力端子および出力端子を有する比較器と 、前記比較器の前記出力端子に結合され、出力ポートを有する連続近似装置と、 デジタル修正値を保持するメモリ装置と、アナログ出力端子を有するデジタル− アナログ変換器とを備える信号調整方法であって: 前記デジタル−アナログ変換器の前記アナログ出力端子を前記アナログ信号調 整回路の前記パラメータ制御入力端子に結合し、前記メモリ装置からの前記デジ タル修正値を前記デジタル−アナログ変換器を通じて前記アナログ信号調整回路 の前記パラメータ制御入力端子に送る段階;および 前記デジタル−アナログ変換器の前記アナログ出力端子を前記比較器の前記第 2入力端子に結合し、前記アナログ信号調整回路の前記アナログ出力端子からの アナログ出力信号を前記デジタル修正値に依存するデジタル出力信号に変換する 段階; によって構成されることを特徴とする方法。 14.前記デジタル出力信号を変換し、それに依存する別のデジタル修正値を 提供する段階;および 前記デジタル−アナログ変換器の前記アナログ出力端子を前記比較器の前記第 2入力端子に結合し、前記アナログ信号調整回路の前記アナログ信号出力端子か らのアナログ出力信号を前記デジタル修正値に依存する被修正デジタル 出力信号に変換する段階; によってさらに構成されることを特徴とする請求項13記載の方法。[Claims]   1. An output terminal for providing a signal; and an input terminal for controlling parameters of the signal. An amplifier having:   A first input terminal coupled to the output terminal of the amplifier for receiving the signal; A comparator having two input terminals and an output terminal;   A continuous approximation device operatively coupled to said output terminal of said comparator, A continuous approximation device having an output bus for providing digital continuous approximation data;   A memory device having another output bus for providing digital parameter data; and   A digital-to-analog converter having an analog output terminal, -When an analog converter is coupled to the output bus of the continuous approximation device, A analog output terminal coupled to the second input terminal of the comparator; The analog converter is coupled to the another output bus of the memory device when the analog converter is coupled to the analog output bus. A log output terminal is coupled to the input terminal controlling the parameter of the signal Digital-to-analog converter;   A signal adjustment circuit characterized by comprising:   2. The digital continuous approximation data provided by the continuous approximation device is 2. The circuit according to claim 1, wherein the circuit depends on the signal output by the band. Road.   3. Having a sensor output signal operatively coupled to a signal input terminal of the amplifier; A digital continuous approximation provided by the continuous approximation device. Data depends on the sensor output signal and the digital parameter data 3. The circuit of claim 2, further comprising a sensor.   4. A signal conditioning circuit for the sensor, comprising:   A sensing element having a sensor output signal;   A signal input terminal coupled to receive the sensor output signal, and an output terminal; A sensing element signal conditioning circuit having an analog control input terminal;   A memory having a data structure including a first digital correction value;   A signal processing circuit; and   Analog signal input terminal, digital signal input port, analog signal output terminal Analog-digital / digital-analog having a digital signal output port An analog-to-digital / digital-to-analog conversion circuit. Conversion (ADC / DAC) circuit:   An analog signal is input from the detection element signal signal adjustment circuit output to the analog signal input. Via a terminal, and the digital representation is sent to the digital signal output port. To provide;   Receiving a digital signal from the signal processing circuit and converting the analog representation to the analog signal; Signal output terminal. And; and   Receiving the first digital correction value from the memory and relying on the analog control Providing a control signal to the sensing element signal conditioning circuit analog control input terminal;   The analog-to-digital / digital-to-analog conversion (AD C / DAC) circuit;   A signal adjustment circuit characterized by comprising:   5. The analog-to-digital / digital-to-analog conversion (ADC / DAC) circuit includes:   Digital-to-analog conversion coupled between multiplexer and demultiplexer An output of the demultiplexer is coupled to a first input of a comparator. A second input of the comparator is coupled to the sensing element signal conditioning circuit output terminal; An output coupled to an input of a continuous approximation register circuit; Digital-to-analog conversion in which the output of the converter circuit is coupled to the input of the multiplexer vessel;   5. The circuit according to claim 4, wherein the circuit comprises:   6. The analog-to-digital / digital-to-analog conversion (ADC / DAC) circuit includes:   An input capacitor array coupled to the analog signal input terminal; A reference capacitor array coupled to an approximation register circuit, wherein the input capacitor is Each of the capacitor array and the reference capacitor array is connected to the comparator. An input capacitor array having an output coupled to the second input and a reference capacitor; Pasita array;   6. The circuit according to claim 5, wherein the circuit comprises:   7. The memory is coupled to another input of the multiplexer. The circuit according to claim 5.   8. The analog-to-digital / digital-to-analog conversion (ADC / DAC) circuit includes:   A matrix coupled between the second input of the comparator and the sensing element signal conditioning circuit. A multiplexer, further coupled to at least one other sensing element signal conditioning circuit. Multiplexer to be combined;   The circuit of claim 5, further comprising:   9. The data structure of the memory being the at least one other sensing element signal modulation; Having another digital correction value for the control of the analog-to-digital A digital-to-analog conversion (ADC / DAC) circuit from the memory to the other digital Receiving a positive value and reducing the analog control signal based on the another digital correction value to the lesser value. And further adapted to provide to a control input of one other sensing element signal conditioning circuit. 9. The circuit according to claim 8, wherein:   10. The analog-digital / digital-analog conversion (ADC / DAC) circuit :   Digital-to-analog coupled between continuous approximation register and demultiplexer A converter having an output of the demultiplexer coupled to an input of a comparator, A comparator has a second input coupled to the output terminal of the sensing element signal conditioning circuit. , The output of the comparator is coupled to the input of a multiplexer, A digital-to-analog converter whose output is coupled to the input of the successive approximation register;   5. The circuit according to claim 4, wherein the circuit comprises:   11. The analog-digital / digital-analog conversion (ADC / DAC) circuit , An input coupled to the memory and a second input of the multiplexer Constituted by a serial digital data controller having an output The circuit according to claim 10, wherein:   12. The analog-digital / digital-analog conversion (ADC / DAC) circuit :   An input capacitor coupled between the analog signal input terminal and the comparator; A reference capacity coupled between the array and the successive approximation register and the comparator. Data array;   The circuit according to claim 11, wherein the circuit comprises:   13. Analog signal input terminal, parameter control input terminal and analog signal output An analog signal adjustment circuit having an input terminal; Log signal output A comparator having a first input terminal, a second input terminal, and an output terminal coupled to the terminals; A continuous approximation device coupled to the output terminal of the comparator and having an output port; A memory device for holding a digital correction value, and a digital device having an analog output terminal. A signal conditioning method comprising an analog converter, comprising:   Connecting the analog output terminal of the digital-to-analog converter to the analog signal Coupled to the parameter control input terminal of the Analog correction signal through the digital-to-analog converter Sending to the parameter control input terminal of   The analog output terminal of the digital-analog converter is connected to the second terminal of the comparator. 2 input terminal, and is connected to the analog output terminal of the analog signal adjustment circuit. Converting an analog output signal into a digital output signal dependent on the digital correction value Stage;   A method characterized by comprising:   14. Transform the digital output signal and generate another digital correction value dependent on it. Providing; and   The analog output terminal of the digital-analog converter is connected to the second terminal of the comparator. 2 input terminal, the analog signal output terminal of the analog signal adjustment circuit These analog output signals are modified digitally depending on the digital correction value. Converting to an output signal;   14. The method of claim 13, further comprising:
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PCT/US1998/027152 WO1999039439A1 (en) 1998-02-02 1998-12-18 Signal conditioning circuit including a combined adc/dac, sensor system, and method therefor

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